带有敷设电磁场的量子质子学： 推进纳米级集成电路的设计

图1. 当一个金属和一个半导体走到一起时，它们形成一个肖特基结，产生一个空间电荷区。在这个区域内，带电粒子的密度会发生波动，这反过来又会影响到界面的行为。利用外部偏置电位（V），我们可以改变结的特性（见图2）。当偏置电位为零（V=0）时，肖特基结的理想能带图。金属和半导体的功函数分别用ɸm和ɸs表示。这里，Ec是导带最低能量，Ev是价带最高能量，Ef是结的费米能，Eg = (Ec - Ev ) 是半导体的能带隙，ɸbn是肖特基结势垒，χs是半导体的电子亲和力。资料来源：Kosala Herath, Sarath D. Gunapala, and Malin Premaratne

设想一下，在一个领域中，光可以在微乎其微的尺度上被细致地控制和操纵，为纳米技术和量子信息技术释放出前所未有的潜力。最近在量子研究方面的突破，推动我们更接近一个可能比以前意识到的更容易实现的现实。

在这篇文章中，我们深入探讨了表面等离子体（SPPs）的领域，以及它们在革新量子光学领域方面所提供的巨大可能性。
 

表面等离子体极子（SPPs）
 

想象一下，在一个阳光明媚的日子里，一个宁静的湖泊。当你把一块小石头扔进水里时，它掀起了穿越水面的温柔涟漪。现在，把光想象成类似于这些起伏的涟漪。当光遇到金属和电介质材料的界面时，它有能力产生波浪，很像湖面上的涟漪。这种现象甚至更耐人寻味，因为这些光波可以与金属的微观成分，如电子，相互作用。值得注意的是，光波和电子同步振荡，产生了一个SPP波。

这种新的波沿着金属的表面优雅地移动，让人想起湖水的涟漪，但却注入了光的精华。SPP拥有特殊的特性，因为它们可以在金属表面的微小缝隙中航行，类似于在迷宫中的操纵。科学家们致力于研究SPPs，因为它们具有超越普通光波的独特特性和能力。穿越这种微小空间的能力促进了纳米级电子设备的发展，包括数据处理单元和传感器。这些进展为尖端的量子技术铺平了道路，有望带来一个具有巨大可能性的未来。
 

肖特基结
 

传统的SPPs发生在金属和电介质材料的界面上，已经在纳米光子学中表现出显著的潜力。然而，科学家们最近有了一个耐人寻味的发现，为这一现象增加了一个新的层面。

当金属和半导体结合形成肖特基结时[图1]，一些非同寻常的事情发生了，由于金属和半导体之间电荷密度的对比，在这个结上出现了一个独立的空间电荷区[1]。这个区域改变了界面的属性，导致SPPs的行为发生转变。这就好比在这个特殊的界面上发掘出了一个全新的波。

图2. 在肖特基结内，金属区域遇到两种不同类型的入射光：来自顶部的线性极化修饰场和来自底部的圆极化修饰场。通过量子描述，我们可以证明这种现象使我们能够主动操纵表面等离子体（SPPs）沿界面的移动。资料来源：Kosala Herath, Sarath D. Gunapala, and Malin Premaratne
 

基于打扮SPP的肖特基结的量子描述
 

我们的研究团队开发了一个以量子理论为基础的综合理论框架[2]，能够准确预测肖特基结在受到外部电磁场影响时的SPP行为[图2]。我们在《科学报告》上发表了我们的发现。

通过对量子原理的应用，我们得出了 "穿衣 "金属的介电函数的表达式。但是，在这种情况下，"包扎 "到底意味着什么？最近的科学突破表明，外部电磁场拥有利用弗洛凯工程技术 "打扮 "或改变金属特性的能力[3,4,5]。必须强调的是，这些观察结果只能在量子理论的框架内被理解和解释。

现在，真正令人兴奋的部分来了： 这种修饰场为控制和加强SPPs的传播提供了一个有力的工具。它改变了金属的易感性和介电常数函数，从而改变了它与光和其他电磁波的互动。通过调整这种外部场的强度、频率和极化，我们可以精细地调整金属内电子的流动性。我们的研究结果表明，通过这样做，我们可以扩大SPPs的传播距离而不耗散能量。这一进展对开发现实世界应用中的实用纳米级数据处理设备具有关键意义。

这一切对我们的世界有什么影响？让你的想象力飞翔吧，在你设想的未来，令人难以置信的微小电路利用光的力量来推动我们的设备。这些电路将表现出非凡的效率，并以惊人的速度处理信息。在纳米尺度上控制和加强光传播的这一突破为量子信息技术的未来开辟了许多可能性。

精心控制光波的能力为开发先进的量子光子电路和设备铺平了道路，超越了目前电子元件的能力。想象一下，智能手机比以前更快、更小、更强大，可以毫不费力地处理复杂的任务。想象一下快速的数据处理和共享系统，彻底改变电信、计算和医疗保健行业。

有了这些进步，技术和各行业的格局将发生深刻的转变。这些突破有可能重塑我们的世界，使通信、计算和医疗保健等领域取得显著进展。

这个故事是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在这里报告他们发表的研究文章的发现。请访问这个页面，了解有关ScienceX Dialog和如何参与的信息。